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amyotrophique : dynamique spatio-temporelle et

mécanismes moléculaires

Christine Marques

To cite this version:

Christine Marques. Dégénérescence des neurones moteurs cortico-spinaux dans un modèle murin de sclérose latérale amyotrophique : dynamique spatio-temporelle et mécanismes moléculaires. Neurobi-ologie. Université de Strasbourg, 2017. Français. �NNT : 2017STRAJ063�. �tel-02003576�

UNIVERSITÉ DE STRASBOURG

ÉCOLE DOCTORALE 414

Science de la vie et de la santé

INSERM U1118

THÈSE

Christine MARQUES

soutenue le : 25 septembre 2017

pour obtenir le grade de :

Docteur de l’Université de Strasbourg

Discipline / Spécialité

: Neurosciences

Dégénérescence des Neurones Moteurs Cortico-Spinaux

dans un modèle murin de

Sclérose Latérale Amyotrophique :

dynamique spatio-temporelle et mécanismes moléculaires

THÈSE dirigée par :

Mme ROUAUX Caroline Chargée de Recherches INSERM,

Université de Strasbourg

M. LOEFFLER Jean-Philippe Directeur de Recherches INSERM,

Université de Strasbourg

RAPPORTEURS :

M. ZYTNICKI Daniel Directeur de Recherches CNRS,

Université Paris Descartes

Mme STUDER Michèle Directeur de Recherches INSERM,

Université Nice Sophia Antipolis

AUTRE MEMBRE DU JURY :

M. DEVOS David Professeur des Universités – Praticien Hospitalier,

Université de Lille

M. CHARLET-BERGUERAND Nicolas Directeur de Recherches INSERM,

«Let us keep looking, in spite of everything.

Let us keep searching.

It is indeed the best method of finding, and perhaps thanks to our efforts,

the verdict we will give such a patient tomorrow will not be the same

we must give this patient today.»

Remerciements

Cette thèse a été pour moi une expérience unique, le fruit de nombreuses rencontres enrichissantes et de collaboration. Je tiens à remercier très sincèrement toutes les personnes qui ont contribué, de près ou de loin, à l’élaboration de ma thèse.

Je tiens tout d’abord à remercier chaleureusement mon directeur de thèse, le Dr Jean-Philippe LOEFFLER pour m’avoir donné l’opportunité de rejoindre son unité de recherche et ainsi bénéficier d’un environnement scientifique de haute qualité. Je tiens à le remercier pour son accueil et ses conseils avisés pour la bonne avancée de ma thèse.

Je suis extrêmement reconnaissante envers ma directrice le Dr Caroline ROUAUX, pour son soutien, son intérêt et ses nombreux conseils tout au long de la thèse. Je tiens à la remercier de m’avoir fait confiance en me confiant ce magnifique projet. Madame Rouaux a fait preuve d’humanité et d’écoute et n’a ménagé ni ses efforts ni ses encouragements pour la réussite de ce projet. Avoir pu contribuer à la création et au développement d’une nouvelle thématique au sein du laboratoire avec Madame Rouaux a été une expérience inoubliable et extrêmement enrichissante.

Je tiens à témoigner toute ma reconnaissance à Messieurs les membres du jury : le Dr Daniel ZYTNICKI, le Dr Michèle STUDER, le Dr Nicolas CHARLET-BERGUERAND et le Dr David DEVOS pour avoir accepté de lire et examiner ma thèse.

Ce travail de thèse n’aurait pas été possible sans le soutien financier versé par les actions Marie Skłodowska-Curie, l’AFM-Téléthon, une ERC Starting Grant, ainsi qu’un cofinancement de thèse Inserm/Région Alsace. Je tiens à les remercier de m’avoir permis de me consacrer sereinement à mon projet en m’apportant l’aide financière nécessaire à l’élaboration de mes expériences.

Mes remerciements vont également au Dr José-Luis GONZALEZ, au Dr Luc DUPUIS, au Dr Frédérique RENE, au Dr Alexandre HENRIQUES, au Pr Yves LARMET et au Dr Marc DE TAPIA pour leurs aides, leurs conseils précieux et les nombreuses discussions qui m’ont permis d’évoluer scientifiquement. J’ai eu une chance inouïe d’avoir pu être entourée par des personnes d’aussi grande qualité scientifique et humaine.

Je souhaiterais remercier les membres de la plateforme de cytométrie de flux, Claudine EBEL, Romain KAISER et Muriel PHILIPPS et les membres de la plateforme de séquençage : Christelle THIBAULT-CARPENTIER, Bernard JOST, Céline KEIME, Cathy HEROUARD

et Fabrice AUGE avec qui j’ai eu l’immense plaisir de collaborer durant ma thèse. Ce projet n’aurait pas été possible sans leur savoir-faire et compétence.

Mes remerciements chaleureux vont également à Annie PICCHINENNA, Sylvie GROSCH, Marie-Jo RUIVO et Brigitte KUENEMANN pour m’avoir apporté leur aide lorsque j’en ai eu la nécessité, et tous les bons moments passés ensemble.

Je n’oublierai jamais mes collègues, qui ont su, chacun à leur manière m’apporter du soutien, de la bonne humeur et des souvenirs inoubliables. Je tiens à te remercier Gina pour ton soutien, ton écoute, ta joie de vivre et ta bonne humeur, tu as su égayer nos journées. Je garderai en mémoire d’innombrables histoires et souvenirs grâce à toi. Ce fut un plaisir d’avoir pu débuter cette aventure avec toi Laura, voisine de bureau et de paillasse, nous avons partagé des moments inoubliables. Je garderai toujours le souvenir de ces années passées avec Robin et Thibaut, votre humour et joie de vivre nous ont offert d’agréables moments. Merci également à Imma, Hajer, Jelena, Jérôme, Pauline, Stéphane, Alexandra, Althéa, Marco, Mattia pour votre gentillesse, pour votre expérience, et pour ces bons moments passés ensemble.

Je tiens à remercier tout particulièrement Mathieu et Anaïs pour votre soutien et vos précieuses relectures de ce manuscrit. Un immense merci Mathieu pour ton amitié, ta disponibilité, ta générosité et ta bonne humeur. Travailler avec toi a été très formateur et très enrichissant humainement et scientifiquement et des plus agréables. Un grand merci Anaïs pour ces 6 mois passés ensemble, pour toute ton aide, ton soutien et ta générosité. Votre contribution a été indispensable à la réalisation de ce projet, je vous en suis très reconnaissante.

Pour terminer, mes remerciements vont tout particulièrement à celles et ceux, qui me sont chers et qui ont fait preuve d’un soutien sans faille tout au long de ce parcours. Leurs attentions, leurs présences et leurs encouragements m’ont donné la force nécessaire pour aller au bout de ce projet. Les mots ne sont pas suffisants pour exprimer toute ma gratitude à leurs égards.

Je souhaite remercier très chaleureusement mes parents qui m’ont toujours soutenu dans mes études et mes choix, et sans qui je ne serai pas là aujourd’hui, mais également mes sœurs, Silvia, Sandrine et Sophie et leurs familles. Un grand merci à vous, Sandrine et Sophie, pour vos précieux conseils, votre présence et votre soutien permanent. Silvia et Laurent, je tiens à vous remercier pour votre accueil, vos encouragements et votre soutien durant mes études. Je tiens à te remercier tout particulièrement Silvia pour toute l’aide que tu m’as apportée et pour la force que tu m’as donnée, elles ont été indispensables pour aller jusqu’au bout de ce projet.

Table des Matières

Liste des tableaux ... 9

Liste des figures ... 9

Liste des annexes ... 10

Abréviations ... 11

INTRODUCTION ... 13

Chapitre I. Circuit neuronal moteur et motricité volontaire ... 14

1. Vue d’ensemble ... 15 2. Aires corticales dédiées à l’activité motrice ... 15 2.1 Les aires corticales motrices ... 15 2.2 Organisation fonctionnelle du cortex moteur primaire ... 17 2.2.1 Cytoarchitecture du cortex moteur ... 18 2.2.2 Organisation laminaire et populations de neurones glutamatergiques ... 20 2.2.3 Interneurones ... 22 3. Contrôles centraux directs : voies pyramidales ... 22 3.1 Tractus cortico-spinal ... 23 3.2 Tractus cortico-bulbaire ... 25 4. Contrôles centraux indirects ... 27 4.1 Centres de contrôle moteur du tronc cérébral ... 27 4.2 Les voies extra-pyramidales vestibulo-, réticulo-, et rubro-spinales ... 27 5. Les motoneurones bulbaires et spinaux et l’activité motrice ... 29 5.1 La moelle épinière ... 29 5.2 Connexions nerveuses aux muscles squelettiques ... 30 6. Modulation de l’activité motrice ... 30

Chapitre II. Les Neurones Moteurs Cortico-Spinaux ... 32

1. Genèse et spécification moléculaire ... 33 2. Caractérisation morphologique et anatomique ... 35 3. Fonction et modulation ... 37 3.1 Modulations excitatrices ... 37 3.2 Modulations inhibitrices ... 38 4. Maladies des neurones moteurs impliquant les Neurones Moteurs Cortico-Spinaux ... 38 4.1 Caractéristiques cliniques de l’atteinte des NMCS ... 39 4.2 Maladies du neurone moteur associées à l’atteinte des Neurones Moteurs Cortico-Spinaux ... 39 4.2.1 Sclérose Latérale Amyoptrophique ... 41 4.2.2 Sclérose Latérale Primaire ... 41 4.2.3 Paraplégie Spastique Héréditaire ... 44

Chapitre III. Sclérose Latérale Amyotrophique ... 48 1. Aspects Cliniques ... 49 1.1 Description clinique ... 49 1.2 Epidémiologie ... 50 1.3 Génétique de la SLA ... 50 1.3.1 Superoxyde Dismutase cytosolique à Cuivre et Zinc (SOD1) ... 52 1.3.2 TAR DNA-Binding Protein-43 (TDP-43) ... 55 1.3.3 Fused in Sarcoma (FUS) ... 55 1.3.4 Chromosome 9 Open Reading Frame 72 (C9ORF72) ... 56 1.4 Diversité de la SLA ... 56 1.4.1 Différents sites d’apparition de la maladie ... 56 1.4.2 Variabilité de l’âge de début et de la durée de la maladie ... 56 1.4.3 Diversité des signes cliniques observés ... 57 1.5 Diagnostic et méthodes d’évaluation de la SLA ... 59 1.5.1 Les critères de diagnostics : critères d’El Escorial ... 59 1.5.2 Principales méthodes d’évaluation du diagnostic ... 59 1.5.2.1 Études électrophysiologiques ... 59 1.5.2.2 Études de neuro-imagerie ... 62 1.6 Approches thérapeutiques de la SLA ... 62 2. Caractéristiques histopathologiques de la SLA ... 64 3. Modèles animaux ... 65 3.1 Modèles murins SOD1 ... 65 3.2 Autres modèles murins ... 69 4. Mécanismes physiopathologiques ... 70 4.1 Stress oxydant ... 70 4.2 Dysfonctionnement mitochondrial ... 72 4.3 Stress du réticulum endoplasmique ... 73 4.4 Altération du métabolisme des ARN ... 74 4.5 Formation d’agrégats protéiques ... 75 4.6 Altération de l’autophagie ... 76 4.7 Altération du cytosquelette et du transport axonal ... 77 4.8 Neuroinflammation ... 78 4.8.1 Rôle des cellules gliales ... 78 4.8.2 Réaction neuroinflammatoire ... 79 4.9 Excitotoxicité ... 80 4.10 Apoptose neuronale ... 82

Chapitre IV. Place du cortex cérébral et des Neurones Moteurs Cortico-Spinaux dans la recherche sur la SLA ... 84

1. Altérations du cortex cérébral et des NMCS chez les patients SLA ... 85

1.1.1 Anomalies fonctionnelles ... 85 1.1.2 Anomalies structurales ... 87 1.2 Données cliniques ... 88 1.3 Données histopathologiques ... 88 2. Altérations du cortex cérébral et des NMCS dans les modèles murins de SLA ... 90 2.1 Dégénérescence progressive des NMCS ... 90 2.2 Hyperexcitabilité des NMCS ... 93 2.3 Atteinte des interneurones inhibiteurs corticaux ... 93 3. Initiation et propagation de la dégénérescence dans la SLA : le débat ... 94 3.1 Atteintes indépendantes des NMCS et des MnBS ... 94 3.2 Propagation rétrograde, ascendante ou « dying-back » ... 96 3.3 Propagation antérograde, descendante ou « dying-forward » ... 97 4. Arguments en faveur d’une origine corticale de la maladie ... 97 4.1 Arguments génétiques ... 97 4.2 Arguments cliniques ... 98 4.3 Arguments pathologiques ... 99 4.4 Arguments précliniques ... 100

PROBLÉMATIQUE ET OBJECTIF DE LA THÈSE ... 103

RÉSULTATS ... 107 1. La perte précoce des neurones moteurs cortico-spinaux implique de nouveaux acteurs moléculaires dans la sclérose latérale amyotrophique ... 108 2. Développement d’une approche expérimentale permettant la purification de populations de neurones corticaux à partir de cerveaux individuels de souris adultes ... 148 3. Caractérisation de la pathologie corticale chez les souris Sod1G86R _{... 181} 3.1 Introduction ... 181 3.2 Matériel et méthodes ... 182 3.2.1 Animaux ... 182 3.2.2 Collection des échantillons ... 182 3.2.3 RT-qPCR ... 182 3.2.4 Sélection des gènes candidats d’après les données publiées ... 183 3.2.5 Analyse statistique ... 183 3.3 Résultats et discussion ... 183 3.3.1 La pathologie corticale semble exclure une réaction gliale massive caractéristique de la pathologie spinale dans le modèle murin Sod1G86R _{... 183} 3.3.2 Établissement d’une liste de gènes candidats en vue d’une caractérisation de la pathologie corticale ... 186 3.3.3 Conclusion ... 186 DISCUSSION ... 192

1. Dynamique spatio-temporelle de l’atteinte des NMCS ... 194 1.1 L’atteinte des neurones moteurs cortico-spinaux est progressive ... 194 1.2 L’atteinte des neurones moteurs cortico-spinaux suit une dynamique spatio-temporelle ... 196 2. L’atteinte précoce des NMCS à projection lombaire met en avant une relation somatotopique des atteintes corticales, spinales et musculaires ... 198 3. La dégénérescence des NMCS semble se produire en l’absence de gliose majeure ... 201 4. L’analyse transcriptomique des NMCS met en évidence de nouveaux acteurs moléculaires pertinents dans la sclérose latérale amyotrophique ... 203 4.1 Stratégie expérimentale ... 203 4.2 Les données de séquençage révèlent une augmentation des altérations transcriptomiques au cours de la dégénérescence des NMCS ... 204 4.3 L’analyse RNA-seq révèle différents profils d’expressions géniques ... 207 4.4 Méthodes de validation des données RNA-seq ... 210 5. Purification de populations spécifiques de neurones corticaux, une nouvelle approche nécessaire pour l’accès au répertoire génique individuel ... 212 5.1 L’apport des études du développement cortical dans la mise en place de nouveaux outils destinés aux études de pathologies neurodégénératives ... 212 5.2 Développement d’une nouvelle méthode de purification de populations spécifiques de neurones corticaux à partir de cerveaux de souris adultes individuels. ... 212 5.3 Validation de la méthode développée ... 215 5.4 La cytométrie de flux, une méthode de choix pour la purification des neurones corticaux adultes et l’analyse transcriptomique ... 215 5.5 Un protocole, un éventail d’applications ... 217 CONCLUSION ... 219 BIBLIOGRAPHIE ... 222 ANNEXES ... 247

Christine MARQUES 9

Liste des tableaux

Tableau 1. Comparaison des caractéristiques de la SLA, de la SLP et de la PSH ... 42

Tableau 2. Principaux gènes impliqués dans les cas de SLA familiale ... 53

Tableau 3. Les quatre niveaux de certitude diagnostique de la SLA suivant les critères révisés d’El Escorial ... 60

Tableau 4. Principaux modèles murins transgéniques SOD1 de SLA ... 66

Liste des figures

Christine MARQUES 10

Liste des annexes

Annexe 1. Liste des publications et présentations ... 248

Annexe 2. Publication No_{1 (sous presse) issue de travaux en collaboration ... 249}

Christine MARQUES 11

Abréviations

AAV : adeno associated virus (virus adéno-associé) ADNc : acide désoxyribonucléique complémentaire

AMPA : a-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole-propionic acid C9ORF72 : chromosome 9 open reading frame 72

CTB : toxine de choléra B DFT : démence fronto-temporale

eGFP : enhanced green fluorescent protein EMG : électromyographie

FACS : fluorescence-activated cell sorting FG : Fluorogold

FUS : fused in sarcoma

GABA-A : acide γ-aminobutyrique-A IRM : imagerie par résonnance magnétique ITD : imagerie par tenseur de diffusion JNM : jonction neuromusculaire KO : knock-out

M1 : cortex moteur primaire M2 : cortex prémoteur

MnB : motoneurones α bulbaires

MnBS : motoneurones α bulbaires et spinaux MND : motor neuron disease

MnS : motoneurones α spinaux NCP : neurones calleux de projection NMCS : neurones moteurs cortico-spinaux NMDA : N-methyl-D-aspartate

PEM : potentiel évoqué moteur PSH : paraplégie spastique héréditaire PV : parvalbumine

RE : réticulum endoplasmique S : aires somatosensorielles

S1 : aires somatosensorielles primaires SLA : sclérose latérale amyotrophique

Christine MARQUES 12 SLAf : sclérose latérale amyotrophique familiale SLAs : sclérose latérale amyotrophique sporadique SLP : sclérose latérale primaire

SMT : stimulation magnétique transcrânienne SNC : système nerveux central

SOD1 : superoxyde dismutase cytosolique à cuivre zinc SST : somatostatine

TARDBP : TAR DNA Binding Protein TCB : tractus cortico-bulbaire

TCS : tractus cortico-spinal

TDP-43 : TAR DNA Binding Protein - 43 TEP : tomographie par émission de positrons TRAP : translating ribosome affinity purification TRS : tractus rubro-spinal

UCHL1 : ubiquitine carboxy-terminal hydrolase L1 UPR : unfolded protein response

Chapitre I.

Christine MARQUES 15

Avant d’aborder le sujet principal de cette thèse portant sur les neurones moteurs cortico-spinaux (NMCS) et les mécanismes qui régissent leur neurodégénérescence au cours de la sclérose latérale amyotrophique (SLA), je souhaite présenter succinctement le circuit neuronal moteur impliqué dans la motricité volontaire, en insistant plus particulièrement sur le cortex cérébral et la voie descendante directe vers la moelle épinière, le tractus cortico-spinal (TCS), afin de mettre en perspective la fonction des NMCS dans la motricité.

1. Vue d’ensemble

Les mouvements volontaires sont le résultat de contractions des muscles squelettiques dont les patterns spatiaux et temporels sont commandés par le cerveau et la moelle épinière. Plus précisément, les muscles squelettiques se contractent à la suite de l’activation des motoneurones α du tronc cérébral et de la moelle épinière, appelés dans ce manuscrit motoneurones α bulbaires (MnB), motoneurones α spinaux (MnS) ou encore motoneurones α bulbaires et spinaux (MnBS). Ces MnBS sont contrôlés par les neurones moteurs des centres supérieurs : directement par des projections monosynaptiques (minorité des MnBS) ou indirectement par des projections disynaptiques impliquant les interneurones locaux du tronc cérébral et de la moelle épinière (majorité des MnBS) (Kandel et al., 2012; Purves et al., 2011).

L’initiation et le contrôle du mouvement volontaire sont permis par l’activation d’une voie directe cortico-spinale. Cette voie implique principalement les NMCS du cortex moteur qui, au niveau du tronc cérébral ou de la moelle épinière, projettent directement ou indirectement (via des interneurones), sur les MnB et MnS responsables de l’innervation des muscles de la face ou des membres. La coordination et la régulation des mouvements sont assurées par une voie indirecte impliquant les neurones moteurs des centres moteurs du tronc cérébral qui projettent également directement ou indirectement vers les MnB et MnS, ainsi que par le cervelet et les ganglions de la base, par le biais de connexions réciproques avec les centres énumérés ci-dessus (Kandel et al., 2012; Purves et al., 2011) (Figure 1).

2. Aires corticales dédiées à l’activité motrice

2.1 Les aires corticales motrices

Dans le cortex cérébral, différentes aires corticales, fortement interconnectées, sont impliquées dans la planification, la programmation et l’exécution des mouvements.

Christine MARQUES 16

Organisation des principales structures nerveuses impliquées dans l’initiation et le Figure 1.

contrôle du mouvement volontaire

Quatre grands systèmes sont impliqués dans le contrôle moteur : les centres supérieurs : le cortex moteur et les voies descendantes du tronc cérébral, les ganglions de la base, le cervelet et les MnBS. Le cervelet et les ganglions de la base influencent le cortex moteur au travers des connexions vers le thalamus. Le cortex moteur détermine quels groupes musculaires sont activés et la grandeur de la force à exercer. À partir des afférences du cortex moteur, des ganglions de la base, du cervelet et des noyaux du tronc cérébral, la moelle épinière initie des contractions musculaires appropriées pour accomplir un mouvement souhaité (adaptée de http://www.servier.fr/slidekit/item et (Purves et al., 2011)).

Les principales aires motrices corticales Figure 2.

Les aires motrices corticales se situent en grande partie dans l’aire 4 et l’aire 6 de Brodmann. L’aire 4 se situe en avant du sillon central et correspond au cortex moteur primaire (M1). L’aire 6 comprend l’aire motrice supplémentaire située en grande partie sur la partie médiale du cerveau et le cortex prémoteur qui se situe dans la partie latérale (adaptée de http://www.servier.fr/slidekit/item).

Cortex moteur primaire (M1)

AIRE 4 AIRE 6

Cortex prémoteur Aire motrice supplémentaire

Christine MARQUES 17

Le cortex moteur humain, situé dans la partie postérieure du lobe frontal, en avant du sillon central, contient les principales aires impliquées : l’aire 4 de Brodmann correspondant au cortex moteur primaire (M1), qui occupe le territoire cortical du gyrus central, et l’aire 6 de Brodmann incluant l’aire motrice supplémentaire et le cortex prémoteur (Fulton, 1935; Roland et al., 1980) (Figure 2). Le cortex moteur reçoit deux grands types d’afférences : celles qui permettent de déclencher la génération de l’information motrice par le cortex moteur, et celles qui permettent de réguler cette information motrice. Les aires corticales cognitives des lobes frontaux (cortex préfrontal) sont responsables de la planification et de la commande de mouvements volontaires. Les aires sensorielles des lobes occipitaux, pariétaux et temporaux transmettent quant à elles des informations sensorielles qui vont permettre d’initier des mouvements en réponse aux perceptions sensorielles (visuelles, auditives, tactiles…) de l’environnement (Kandel et al., 2012; Vesia et al., 2013). Les neurones de ces aires corticales motrices reçoivent également des afférences régulatrices en provenance des deux grands centres de régulation du système moteur, les ganglions de la base et le cervelet, que nous traiterons plus loin dans ce chapitre (Kandel et al., 2012). Les aires corticales associées à la motricité chez les rongeurs comportent également une aire motrice primaire (M1), aire motrice secondaire (M2) et les aires somatosensorielles (S) des membres antérieurs et postérieurs (Paxinos & Watson, 2007). Le M1 est décrit comme l’aire centrale du cortex moteur, responsable de l’activation du circuit moteur (Kandel et al., 2012). Il contient des neurones moteurs géants, initialement décrits par Vladimir Betz en 1874, et connus sous le nom de cellules de Betz (Betz, 1874), une sous-population des NMCS. En effet, le M1 contient la majorité des NMCS (cellules de Betz et autres) qui projettent vers la moelle épinière et qui constituent une grande part du TCS (Lemon, 2008; Murray & Coulter, 1981). Cependant, d’autres NMCS sont également présents au niveau des aires pariétales et frontales telles que les aires prémotrices (M2) et somatosensorielles primaires (S1). Ainsi, si ces aires ne possèdent pas à proprement parler de cellules de Betz, elles possèdent néanmoins elles aussi des NMCS, qui projettent vers la moelle épinière et contribuent au TCS (Galea & Darian-Smith, 1994).

Ainsi, sous l’influence des aires cognitives et sensorielles, l’information motrice est générée au sein des aires motrices par les NMCS, modulée par le cervelet et les ganglions de la base, et transmise, via les axones de ces NMCS qui forment le TCS, vers le tronc cérébral et la moelle épinière.

2.2 Organisation fonctionnelle du cortex moteur primaire

L’organisation fonctionnelle du M1 a été étudiée au travers d’observations cliniques et de recherches expérimentales. C’est à la fin du vingtième siècle, par des études expérimentales de « stimulations corticales » in vivo de diverses régions du cortex moteur que Sherrington et Penfield

Christine MARQUES 18

ont dressé une cartographie fonctionnelle des zones corticales M1 liées au mouvement (Grunbaum & Sherrington, 1901; Leyton & Sherrington, 1917). À chaque muscle a été fait correspondre une région corticale. Cette organisation somatotopique de la carte motrice met en évidence une large disproportion des représentations des parties du corps. Elle correspond au degré de complexité des mouvements que chaque membre peut effectuer, avec une surface corticale plus grande occupée par la musculature associée à un contrôle moteur fin (face, bouche, main) qui requiert des fonctions motrices plus complexes (Penfield & Boldrey, 1937; Penfield & Rasmussen, 1952) (Figure 3).

Toutefois, des études plus récentes remettent en question l’organisation fonctionnelle des zones motrices M1 du cortex cérébral. Selon ces études, cette organisation n’est pas simplement une carte isomorphe du corps dans laquelle les membres avoisinants sont représentés dans des sites corticaux adjacents (pour revue, voir (Graziano et al., 2002)). En effet, les muscles individuels sont représentés dans le M1 (dans la région représentant le membre étudié) à plusieurs reprises selon une mosaïque complexe. D’autre part, il a été montré que la stimulation focale de neurones entraîne la contraction de plusieurs muscles (Kwan et al., 1978; Park et al., 2001). Ainsi, selon ces études, ce sont les mouvements plus que les muscles individuels qui sont codés par l’activité des neurones corticaux. Ces neurones corticaux sont reliés entre eux par des circuits locaux permettant la coordination de l’activité neuronale dans différents sites de la carte afin de permettre la génération de commandes motrices précises (Graziano et al., 2002; Schieber, 2007). Cela permet au cortex d’organiser des combinaisons de mouvements adaptés à des tâches spécifiques. Ainsi, même de petites lésions du TCS peuvent avoir de grandes conséquences motrices, en affectant un nombre important de muscles dans différentes parties du corps (Schieber, 2007).

2.2.1 Cytoarchitecture du cortex moteur

Le cortex moteur, à l’instar du reste du cortex cérébral, est essentiellement constitué de deux types neuronaux : les neurones excitateurs glutamatergiques (80% des neurones corticaux) et les interneurones inhibiteurs GABAergiques (20% des neurones corticaux). Les neurones excitateurs sont majoritairement pyramidaux (à l’exception des neurones stellaires de la couche IV), et connectent des cibles très éloignées de leur corps cellulaire. En revanche, les interneurones inhibiteurs GABAergiques ont pour rôle de moduler localement l’activité des neurones excitateurs par le biais d’axones émis sur des distances relativement courtes (Kandel et al., 2012; Purves et al., 2011).

À ces neurones excitateurs et inhibiteurs s’ajoutent naturellement des cellules gliales (astrocytes, microglies et oligodendrocytes). Malgré l’apparente simplicité des deux grandes classes de neurones corticaux, le cortex cérébral en général, et moteur en particulier, sont des structures complexes, hautement organisées, composées de six couches cellulaires (Figure 4).

Christine MARQUES 19

Cartographie des différentes parties du corps sur le cortex moteur : l’homonculus Figure 3.

moteur

L’homonculus moteur est la carte topographique du cortex moteur, qui correspond à l’organisation de la commande motrice des parties du corps à la surface du cortex moteur (adaptée de(Kandel et al., 2012)).

Cheville

Genou Hanche

Tronc _Epaule Coude _Poignet Main

Auriculaire AnnulaireMedius_Inde

x

Pouce

Cou

Sourcil

Paupière et globe oculaire Face Lèvres Machoire Langue Déglutition [— –V oc a lis a ti o n – — ] [Mas ticat ion] [Sa liva tio n]

M1

Lateral

Medial

Christine MARQUES 20

Ces couches se distinguent sur la base 1) de la densité, de la taille et de la forme des cellules qui les composent ; 2) des combinaisons de gènes exprimés par ces populations cellulaires, et 3), des connexions émises et reçues par ces populations cellulaires. La classification des six couches cellulaires est classiquement établie sur la base des projections émises par les neurones excitateurs qui les composent.

2.2.2 Organisation laminaire et populations de neurones glutamatergiques

Des méninges en surface vers le corps calleux en profondeur, le cortex cérébral est organisé en six couches cellulaires. La couche I, la plus superficielle, pauvre en neurones, se compose essentiellement de cellules gliales ainsi que des arborisations des dendrites apicales des neurones pyramidaux des autres couches (dont les NMCS). Ces terminaisons dendritiques reçoivent des projections des neurones corticaux et des neurones corticaux. Ces neurones thalamo-corticaux projettent vers toutes les couches du cortex cérébral à l’exception de la couche VI (Rubio-Garrido et al., 2009). Les couches II et III sont composées quant à elles de neurones cortico-corticaux, qui envoient des connexions en ipsilatéral vers des aires corticales plus rostrales ou plus caudales, ou en contralatéral via le corps calleux, et reçoivent des efférences cortico-corticales. Les neurones cortico-corticaux dont l’axone emprunte le corps calleux sont également appelés neurones calleux de projection (NCP) (Fame et al., 2011). La couche IV est composée d’interneurones excitateurs avec une morphologie principalement stellaire, recevant essentiellement des projections sensorielles du thalamus et émettant des projections au sein d’une même colonne corticale (Lefort et al., 2009; Lübke et al., 2000; Staiger et al., 2004).

La couche V se subdivise en couche Va et Vb. La couche Va, superficielle, contient des neurones de projection calleuse et des neurones cortico-striataux (Mitchell & Macklis, 2005) tandis que la couche Vb contient des neurones de projection subcorticale. Dans le cas des aires motrices, il s’agit en grande partie de NMCS qui connectent le cortex à la moelle épinière en faisant des collatérales vers le striatum, le noyau rouge et le pont (Rivara et al., 2003). Enfin, la couche VI, la plus profonde, contient les neurones cortico-thalamiques qui, en fonction des aires corticales, projettent vers différents noyaux du thalamus (Kandel et al., 2012) (Figure 4). Outre leur forme pyramidale typique et leur long prolongement axonal, les neurones excitateurs corticaux possèdent également une large dendrite apicale, très ramifiée ainsi que des dendrites basales. Cette arborisation dendritique typique leur permet de recevoir la plupart des afférences excitatrices et inhibitrices. Les couches I et II/III contiennent les dendrites apicales des neurones des couches II/III, V et VI, tandis que les couches V et VI contiennent les dendrites basales des neurones des couches III, V et VI (Kandel et al., 2012).

Christine MARQUES 21 Cytoarchitecture du cortex cérébral Figure 4.

Le cortex cérébral est organisé en 6 couches constituées de neurones excitateurs glutamatergiques (80%), d’interneurones inhibiteurs GABAergiques (20%) et de cellules gliales. Ces populations cellulaires émettent (efférences) et reçoivent (afférences) des projections spécifiques de régions corticales, subcorticales (adaptée de http://epomedicine.com/medical-students/cerebral-cortex-layers-microanatomy-simplified/).

Christine MARQUES 22 2.2.3 Interneurones

En plus des neurones excitateurs corticaux, des interneurones sont présents dans chacune des couches et peuvent recevoir les mêmes afférences que les cellules pyramidales. Il en existe une grande variété qui se distingue notamment par leur morphologie cellulaire, leurs connexions synaptiques et leurs propriétés moléculaires (expression de différents neuropeptides et de protéines de liaison au calcium) (Markram et al., 2004).

Chez la souris, 3 principaux groupes d’interneurones à rôle distinct ont été décrits, ceux exprimant : la parvalbumine (PV), le récepteur sérotoninergique 3A (hydroxytryptamine 3A,

5-HT3A) et le neuropeptide somatostatine (SST) (Rudy et al., 2011; Xu et al., 2010).

Dans le cortex, les interneurones PV sont généralement des interneurones à décharge rapide qui reçoivent des projections intracorticales excitatrices. Ces interneurones des couches II et III du cortex cérébral font de forts contacts inhibiteurs sur les neurones pyramidaux cibles, tels que les NMCS (Rudy et al., 2011).

En revanche, les interneurones exprimant 5-HT3A présents dans les couches plus

superficielles du cortex ont une fonction moins connue (Xu et al., 2010). Un sous-groupe de ces neurones, co-exprime le neuropeptide vasoactif intestinal (VIP) (interneurone à bas seuil), semble communiquer notamment avec les interneurones SST et est particulièrement excité par des projections intracorticales (Lee et al., 2013; Rudy et al., 2011; Xu et al., 2010).

Les interneurones SST du troisième groupe (interneurones à bas seuil) se composent en grande partie de cellules avec un axone projetant vers la couche I et sont localisés dans la couche V du cortex cérébral (Markram et al., 2004), et forment des contacts le long des dendrites des neurones pyramidaux, dont les NMCS (Chiu et al., 2013; Wang, Toledo-Rodriguez, et al., 2004).

En retour, les interneurones SST reçoivent des projections des cellules pyramidales voisines, ce qui les rend sensibles à l’activité du réseau neuronal local (Rudy et al., 2011; Silberberg

& Markram, 2007)(Figure 4).

L’inhibition des neurones de projection subcérébrale, dont font partie les NMCS, proviennent principalement des interneurones PV et SST (détaillé dans la partie II. 3).

3. Contrôles centraux directs : voies pyramidales

Le terme de voie pyramidale désigne les tractus cortico-spinal (TCS) et cortico-bulbaire (TCB). Son nom vient du fait qu’elle traverse les pyramides bulbaires. Cette voie relie le cortex moteur à l’étage bulbaire ou spinal, et correspond à la voie directe de la motricité volontaire.

Christine MARQUES 23 3.1 Tractus cortico-spinal

Le TCS se compose de fibres de NMCS situées majoritairement dans le M1 (Campbell, 1904; Galea & Darian-Smith, 1994). Bien qu’il soit souvent considéré que les cellules de Betz sont les seuls neurones à l’origine des projections cortico-spinales, elles ne constituent en réalité qu’une sous-population des NMCS projetant dans ce tractus. En effet, seulement 3% des fibres proviennent des cellules Betz (Lassek & Wheatley, 1945; Schieber, 2007).

Les axones des NMCS se regroupent dans de grands faisceaux qui empruntent la capsule interne pour traverser le striatum et convergent vers le pédoncule cérébral jusqu’au pont. Chez l’homme, 80% des axones croisent la ligne médiane au niveau de la jonction bulbo-médullaire, et entrent ainsi dans la moelle épinière. Les axones descendent alors dans le cordon controlatéral de la moelle épinière, encore appelé faisceau cortico-spinal latéral. Depuis ce faisceau, un contingent de fibres issues essentiellement des cellules de Betz du M1 entre dans la substance grise, se ramifie intensément et établit des connexions excitatrices monosynaptiques, directes, avec les MnS situés dans la corne ventrale (Rathelot & Strick, 2006). Les fibres restantes projettent sur les interneurones locaux, impliqués dans la coordination des activités des MnS. De par la distribution de ces fibres, notamment les projections directes sur les MnS (Kandel et al., 2012; Kuypers, 1982; Schieber, 2007), il apparaît que le TCS latéral humain a un rôle important dans le contrôle des mouvements fins et individualisés des doigts (Muir & Lemon, 1983). Par ailleurs, il a été proposé que les connexions synaptiques indirectes permettraient au TCS de moduler les réflexes et réseaux locomoteurs spinaux à l’origine des rythmes locomoteurs tels que la marche (Barthélemy et al., 2011).

Les 20% des fibres restantes descendent directement le long du cordon ventral ipsilatéral de la moelle épinière (faisceau cortico-spinal ventral). Ces neurones projettent essentiellement sur les interneurones (ipsilatéraux ou controlatéraux) qui seraient responsables du contrôle de la musculature axiale et proximale des membres (nuque, tronc, épaules). Bien que le rôle fonctionnel du TCS ventral ne soit pas encore bien connu, la répartition des fibres sur la moelle épinière suggère qu’il pourrait être impliqué dans le maintien de la posture (Kuypers, 1982; Rosenzweig et al., 2009; Schieber, 2007) (Figure 5).

Outre les fibres émanant de M1, le TCS contient également des fibres provenant d’autres aires sensorimotrices (les aires prémotrices M2 et les aires pariétales du cortex somatosensoriel primaire S1). Chez le singe, la majorité des fibres du M2 se termine au niveau de la corne dorsale tandis que celles provenant de S1 se terminent dans la zone intermédiaire de la moelle épinière (Galea & Darian-Smith, 1994). Ces fibres, de par leurs terminaisons, seraient impliquées dans la régulation des afférences sensorielles, des réflexes spinaux et des circuits locaux des interneurones (Lemon, 2008; Wall & Lidierth, 1997).

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Voie descendante pyramidale : le tractus cortico-spinal et cortico-bulbaire Figure 5.

Les voies pyramidales se composent du tractus cortico-spinal (TCS) et cortico-bulbaire (TCB) qui relient le cortex à l’étage bulbaire ou spinal. La majorité des fibres du TCS croisent à la décussation des pyramides et forment le faisceau cortico-spinal latéral. Une minorité des fibres cheminent du côté ipsilatéral et croisent au niveau médullaire des muscles qu’elles innervent. Un faible pourcentage de fibres ne croise pas et innerve des muscles ipsilatéraux (adaptée de (Kandel et al., 2012)).

Noyau Rouge Cortex sensorimoteur Cortex moteur Cortex pré-moteur Ganglions de la base Noyau caudé Putamen Globus pallidus Thalamus Noyau ventrolatéral du thalamus Pont moyen Tractus pyramidal Tractus cortico-spinal tractus cortico-bulbaire Bulbe moyen Bulbe caudal Moelle épinière

Décussation des pyramides

Faisceau cortico-spinal latéral Faisceau cortico-spinal ventral

Pyramide

Pédoncule cérébral

Interneurones

0RWRQHXURQHVĮ

Noyau moteur du trijumeau (V) Noyau moteur du facial (VII)

Noyau moteur du grand hypoglosse (XIII) Mésencéphale

Christine MARQUES 25

Il existe des variations importantes de l’organisation du TCS entre espèces, et notamment entre l’homme et les rongeurs (Lemon, 2008). En effet, chez les rongeurs, la majorité des axones du TCS croise également la ligne médiane, mais au lieu de descendre latéralement, ils demeurent le long de la ligne médiane, au sein du funicule dorsal de la moelle épinière. Le reste des axones du TCS descend le long de la colonne ventrale ipsilatérale, comme chez l’homme. Chez le rongeur, le TCS se termine majoritairement au niveau de la corne dorsale et connecte les MnS situés dans la corne ventrale, via un réseau disynaptique impliquant des interneurones spinaux (D’Acunzo et al., 2014; Lemon, 2008; Schieber, 2007).

Il est admis qu’au cours de l’évolution les terminaisons cortico-spinales se sont déplacées progressivement de la corne dorsale vers la corne ventrale de la moelle épinière, et d’une transmission de l’information motrice part un mode majoritairement plurisynaptique à un mode majoritairement monosynaptique. Ces variations interespèces de l’organisation du TCS et du mode de transmission de l’information motrice pourraient expliquer les différences connues entre les espèces, notamment dans l’exécution de mouvements fins et individualisés (Lemon, 2008; Lemon & Griffiths, 2005; Schieber, 2007) (Figure 6).

Quels que soient l’espèce et le trajet spécifique du TCS, la majorité des fibres provenant de la représentation des membres supérieurs dans le cortex cérébral se termine au niveau de la moelle épinière cervicale tandis que les fibres provenant de la représentation des membres inférieurs se terminent au niveau de la moelle épinière lombosacrée (Schieber, 2007).

3.2 Tractus cortico-bulbaire

Les neurones corticaux impliqués dans le contrôle des muscles de la tête et du cou, situés au niveau de la partie inférieure du gyrus précentral (à la face externe du lobe frontal) forment le TCB. Le trajet du TCB est semblable à celui du TCS. Les fibres cortico-bulbaires cheminent avec les fibres cortico-spinales, pour se terminer, à différents niveaux du tronc cérébral, sur les noyaux moteurs des nerfs crâniens, la formation réticulaire et le noyau rouge (Kuypers, 1958). Les fibres du TCB contrôlent les MnB situés au niveau des noyaux des nerfs crâniens, directement ou indirectement par des connexions avec des interneurones locaux. De plus, la majorité des fibres innervant les noyaux moteurs du tronc cérébral se terminent bilatéralement, hormis les fibres contrôlant la langue (noyau de l’hypoglosse - XII) et la musculature de la face inférieure (noyau du facial - VII) qui se terminent en controlatéral (Kandel et al., 2012; Purves et al., 2011) (cf. Figure 5).

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Relation entre l’organisation du tractus cortico-spinal et la capacité d’exécution de Figure 6.

mouvements fins

Chez les rongeurs, les fibres du tractus cortico-spinal (TCS) cheminent majoritairement dans le funicule dorsal de la moelle épinière et connectent les MnBS via des interneurones locaux. Chez les primates non-humains et l’homme, les connexions directes (monosynaptiques) avec les MnBS se sont développées et le nombre de fibres peuplant le TCS a augmenté. Contrairement aux rongeurs, la majorité des fibres chemine dans le cordon controlatéral de la moelle épinière. Dans les trois espèces, une minorité de fibres cheminent ipsilatéralerment. Le développement du TCS corrèle avec l’index de dextérité, tel que la préhension d’objet et des mouvements précis (adaptée de(Lemon, 2008)).

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En plus d’influencer directement la moelle épinière par l’intermédiaire du TCS, le cortex cérébral établit également des connexions avec d’autres voies descendantes indirectes ayant pour origine les centres moteurs du tronc cérébral. Ces voies alternatives indirectes interviennent essentiellement dans l’ajustement postural durant les mouvements.

4. Contrôles centraux indirects

Les aires corticales des lobes frontaux, ainsi que d’autres régions cérébrales, telles que l’oreille interne, contrôlent les mouvements indirectement en envoyant des projections vers divers centres moteurs du tronc cérébral. Les neurones moteurs supérieurs des voies indirectes, qui prennent naissance dans ces centres du tronc cérébral, projettent le long de faisceaux pour faire synapse sur les interneurones locaux ou les MnBS (Kandel et al., 2012; Purves et al., 2011).

4.1 Centres de contrôle moteur du tronc cérébral

Au sein du tronc cérébral, il existe différents centres de contrôle moteur impliqués dans la posture, la locomotion et la motricité oro-faciale. Parmi ces centres, les noyaux vestibulaires reçoivent des informations sensorielles provenant de l’oreille interne (appareil vestibulaire) les renseignant sur la position spatio-temporelle de la tête, et sont impliqués dans le contrôle de l’équilibre (Purves et al., 2011). La formation réticulaire ponto-médullaire reçoit quant à elle des afférences corticales essentiellement du M1 et du M2, et joue un rôle dans les ajustements posturaux (pour revue, voir (Baker, 2011)). Enfin, le noyau rouge reçoit des afférences cortico-bulbaires des aires 4 et 6 du cortex moteur, des collatérales d’axones du TCS (Humphrey et al., 1984; Kuypers & Lawrence, 1967) ainsi que des projections du cervelet. Il participe au contrôle moteur des membres supérieurs (Purves et al., 2011) (Figure 7).

4.2 Les voies extra-pyramidales vestibulo-, réticulo-, et rubro-spinales

De ces trois centres, trois voies indirectes, appelées voies extra-pyramidales, descendent vers la moelle épinière. Les neurones du noyau vestibulaire cheminent le long de la partie ventrale de la substance blanche de la moelle épinière en deux faisceaux : les vestibulo-spinaux latéral et médian. Les fibres de ces faisceaux projettent vers la partie médiane de la corne ventrale de la moelle épinière cervicale où se trouvent les MnS impliqués dans la régulation de la posture de la tête et dans le contrôle de la musculature proximale des membres. Ces deux faisceaux jouent un rôle dans l’équilibre, en régulant le tonus musculaire en réponse aux mouvements de la tête (McCall et al., 2017; Purves et al., 2011).

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Principales voies extra-pyramidales impliquées dans le contrôle des mouvements Figure 7.

Les voies extra-pyramidales émanent de différents noyaux du tronc cérébral et reçoivent des projections en provenance des aires motrices et d’autres régions cérébrales. Les neurones du cortex moteur établissent des liens avec les neurones de la formation réticulaire qui permettent des ajustements posturaux. Le faisceau réticulo-spinal (bilatéral) projette essentiellement sur les parties centrales de la corne ventrale. Les neurones du noyau vestibulaire (bilatéral) reçoivent des messages sensoriels provenant des canaux semi-circulaires et des organes otolithiques situés dans l’oreille interne, puis les neurones du noyau vestibulaire projettent sur la corne ventrale centrale de la moelle épinière. Le faisceau vestibulo-spinal permet la régulation de la position de la tête. Le faisceau rubro-spinal prend son origine dans le noyau rouge qui chemine parallèlement au TCS dans le cordon controlatéral de la moelle épinière. Son existence chez l’homme adulte n’est pas certaine

(adaptée de (Kandel et al., 2012)).

Tronc cérébral

Faisceau réticulo-spinal

Projections corticales indirectes

? Formation réticulaire Noyau rouge Noyau vestibulaire Faisceau rubro-spinal Faisceau vestibulo-spinal Voies extra-pyramidales

muscles extenseurs antigravitaires

muscles antigravitaires axiaux et proximaux

Cortex moteur

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Les voies réticulo-spinales ont deux origines : une origine bulbaire qui descend dans le cordon latéral et une origine pontique qui descend dans le cordon antérieur de la moelle épinière. Ces voies projettent également essentiellement sur la partie médiane de la corne ventrale de la moelle épinière où elles connectent essentiellement les interneurones qui coordonnent les muscles axiaux et proximaux, et à moindre mesure les MnS impliqués dans le contrôle de la musculature distale (Baker, 2011; Prentice & Drew, 2001; Riddle et al., 2009; Schepens & Drew, 2004).

Enfin, le tractus rubro-spinal (TRS), dont l’existence n’est pas certaine chez l’homme adulte (Nathan & Smith, 1982), est considéré comme une voie auxiliaire de la voie cortico-spinale pour le contrôle moteur. En effet il débuterait au niveau du noyau rouge magnocellulaire, croiserait la ligne médiane au niveau de la décussation pyramidale et suivrait un trajet parallèle au TCS (Murray & Haines, 1975). Cependant, chez l’homme, la taille du noyau rouge magnocellulaire est beaucoup plus importante chez le fœtus que chez l’adulte, où il n’est plus que vestigial (Onodera & Hicks, 2010). L’importance fonctionnelle du TRS chez l’homme reste à déterminer (Nathan & Smith, 1982). Chez les primates non humains et les autres mammifères, qui possèdent un noyau rouge plus développé, le TRS participe à la motricité des membres supérieurs (Ghez & Kubota, 1977; Gibson et al., 1985; Houk et al., 1988) et contribue à l’initiation de mouvements volontaires en parallèle du TCS (Ghez & Kubota, 1977). Chez le rongeur, les fibres rubro-spinales, qui suivent également le TCS, projettent principalement sur les interneurones des zones intermédiaires de la moelle épinière et, dans une plus faible proportion, directement sur les MnS qui innervent la musculature distale des membres supérieurs (Liang et al., 2012). Ces différences pourraient expliquer un rôle dominant du contrôle moteur cortical direct chez l’homme par rapport aux autres espèces.

5. Les motoneurones bulbaires et spinaux et l’activité motrice

Les MnBS et les neurones locaux (interneurones) sont les derniers composants du système moteur permettant la contraction musculaire. Dans les paragraphes suivants, seuls la moelle épinière et les MnS seront décrits, les mêmes caractéristiques étant applicables aux MnB.

5.1 La moelle épinière

Les MnS relayent l’information motrice reçue des centres supérieurs vers les muscles et sont considérés comme la voie finale commune de la motricité. Les interneurones locaux quant à eux sont impliqués dans la coordination réflexe des mouvements de par les projections des centres supérieurs et des afférences sensorielles qu’ils reçoivent (Kandel et al., 2012; Purves et al., 2011).

Ces interneurones spinaux sous contrôle du TCS restent encore mal connus. Chez le rongeur, la nature des interneurones connectant les NMCS aux MnS n’est pas clairement identifiée.

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Des études ont cependant récemment montré que les interneurones RORα (RAR-related orphan receptor alpha) serviraient de relai et de modulateur de l’information corticale, par connexion directe ou indirecte via les interneurones ventraux cholinergiques V0c, aux MnS (Bourane et al., 2015).

Des études de stimulation corticales menées chez le singe et l’homme ont montré qu’un seul NMCS innerve des MnS de différents muscles agonistes (divergence), pouvant ainsi influencer l’activité contractile de plusieurs muscles à la fois et permettre la coordination motrice (Datta & Stephens, 1990; McKiernan et al., 1998). D’autre part, elles ont montré que plusieurs NMCS projettent sur un MnS (convergence) (Kwan et al., 1978; Penfield & Boldrey, 1937; Schieber, 2007). Enfin, tous les MnS sont innervés par les NMCS excepté ceux innervant les muscles oculomoteurs et du sphincter ; ces derniers restent relativement épargnés dans la SLA (Iwatsubo et al., 1990).

5.2 Connexions nerveuses aux muscles squelettiques

Le système nerveux contrôle la contraction musculaire en envoyant des signaux du TCS vers les MnS qui relayent l’information aux fibres musculaires à l’origine du mouvement. L’exécution de la commande motrice par ces MnS dépend de leur niveau d’excitabilité, puisque ces MnS sont également régulés par des afférences sensorielles et des interneurones spinaux. En effet, les MnS sont les éléments post-synaptiques de boucles réflexes spinales excitatrices et inhibitrices.

Un muscle est contrôlé par une centaine de MnS. Chaque MnS innerve un ensemble de fibres musculaires d’un muscle et une fibre musculaire est innervée par un seul MnS. Le MnS unique et le groupe de fibres musculaires qu’il innerve correspondent à une unité motrice (Heckman & Enoka, 2012). L’ensemble des MnS innervant un muscle est regroupé en colonne sur plusieurs segments de la moelle épinière. Les MnS innervant les muscles posturaux du tronc se situent dans la partie médiane de la corne ventrale de la moelle épinière, tandis que ceux situés dans la partie latérale innervent les muscles distaux (Heckman & Enoka, 2012).

6. Modulation de l’activité motrice

Les aires corticales motrices ne sont pas les seules impliquées dans la commande et le contrôle des mouvements, il existe deux structures supplémentaires, le cervelet et les ganglions de la base, qui modulent l’information motrice par le biais de connexions réciproques avec le cortex cérébral, le tronc cérébral et/ou la moelle épinière (pour revue voir (Middleton & Strick, 2000)). Le cervelet reçoit et émet des projections vers le cortex cérébral, la moelle épinière et le tronc cérébral. Il intervient dans l’exécution de mouvements rapides et coordonnés (course, nage) et module les mouvements précis de posture et d’équilibre.

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La fonction principale du cervelet est de comparer les signaux de commande (intention de mouvement) reçus par les centres supérieurs et les informations sensorielles (exécution effective du mouvement) reçues par le système nerveux périphérique, afin de détecter des erreurs. En cas d’erreur, le cervelet envoie des signaux correctifs au tronc cérébral et au cortex moteur par l’intermédiaire du thalamus (Kandel et al., 2012; Middleton & Strick, 2000; Purves et al., 2011).

Le système des ganglions de la base est composé de 5 noyaux : le striatum, qui comprend le noyau caudé et le putamen, le noyau sous-thalamique, et le pallidum qui comprend le globus pallidus et la substance noire. Il est organisé en boucle sous-corticale : allant des aires corticales via le striatum puis le pallidum et le thalamus pour retourner vers le cortex moteur. Cette boucle, active avant et pendant le mouvement, aide à la programmation des mouvements (Kandel et al., 2012; Middleton & Strick, 2000; Purves et al., 2011).

En conclusion, l’activité motrice volontaire est soumise à l’interaction de quatre sous-systèmes moteurs distincts : 1) les voies descendantes originaires des centres supérieurs, 2) les circuits locaux de la moelle épinière et du tronc cérébral, comprenant les interneurones locaux et les MnBS, 3) le cervelet et 4) les ganglions de la base (cf. Figure 1). Les TCS et TCB et les MnBS constituent la voie directe de la motricité et sont indispensables pour la réalisation de mouvements fins et individualisés. Les voies extra-pyramidales permettent quant à elles un ajustement de la posture, la locomotion et la motricité orofaciale. Enfin, l’exécution des mouvements est régulée par l’activité du cervelet et des ganglions de la base. C’est donc l’interaction de ces quatre centres nerveux qui permet la réalisation de mouvements volontaires adaptés.

Parmi les diverses populations neuronales qui composent le système moteur, la dégénérescence combinée de deux d’entre elles, les NMCS et les MnBS est à l’origine d’une maladie fatale, la SLA (voir chapitre 3 de l’introduction : « La sclérose latérale amyotrophique »). Les recherches précliniques menées sur la SLA ont permis de mieux comprendre comment les MnBS dégénèrent au cours de la SLA. En revanche, les NMCS ont été particulièrement ignorés des recherches précliniques, et ce, malgré un nombre grandissant d’évidences suggérant un rôle prépondérant du cortex cérébral chez les patients SLA (pour revue, voir (Eisen et al., 2017; Geevasinga et al., 2016)) (voir chapitre 4 : « Place du cortex cérébral et des Neurones Moteurs Cortico-Spinaux dans la recherche sur la SLA »).

Mon travail de thèse a consisté à mieux comprendre la dynamique spatio-temporelle de la dégénérescence des NMCS au cours de la SLA, et à mettre en évidence les mécanismes qui la régissent. Le chapitre suivant est consacré à une présentation plus précise de cette population neuronale (chapitre 2 : « les Neurones Moteurs Cortico-Spinaux »).

Chapitre II.

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Les grands principes de l’organisation du cortex cérébral et de son développement sont conservés chez les mammifères, notamment des rongeurs jusqu’aux primates. Les études menées chez la souris ont permis de mieux comprendre les mécanismes impliqués dans les étapes majeures du développement cortical, d’identifier les différentes sources de neurones corticaux, et d’identifier les gènes qui contrôlent leur migration et leur spécification (Allendoerfer & Shatz, 1994; Mcconnell, 1991; Mione et al., 1997; Molyneaux et al., 2007). Plus d’une centaine de types cellulaires distincts de neurones corticaux excitateurs et inhibiteurs sont produits et constituent le cortex cérébral. Parmi eux se trouvent les NMCS de la couche V du cortex cérébral connectant le cerveau à la moelle épinière. Cette population neuronale indispensable à la réalisation de mouvements volontaires est atteinte dans certaines maladies neurodégénératives telles que la SLA.

1. Genèse et spécification moléculaire

Après formation du tube neural, les vésicules télencéphaliques donnent naissance au cortex, depuis le toit (partie dorsale), et aux éminences ganglionnaires depuis le plancher (partie ventrale). Les neurones corticaux proviennent de la zone ventriculaire de ces deux parties, lieu de la neurogenèse, située le long des ventricules latéraux (Anderson et al., 2002; Kowalczyk et al., 2009; Noctor et al., 2004).

Les interneurones corticaux inhibiteurs émanent de la zone ventriculaire ventrale, et migrent d’abord tangentiellement puis radialement pour aller peupler le cortex cérébral (Anderson et al., 2001, 2002).

Les neurones corticaux excitateurs sont générés, quant à eux, à partir de la zone ventriculaire dorsale, et migrent radialement vers le cortex (Anderson et al., 2002; Kowalczyk et al., 2009; Mione et al., 1997; Noctor et al., 2004; Rakic, 1988). De manière successive, les nouveaux neurones excitateurs générés migrent au-delà des précédents, et viennent se positionner en superficie du cortex en développement (Allendoerfer & Shatz, 1994; Mcconnell, 1991), pour constituer les six couches corticales. Comme nous l’avons vu dans le chapitre 1, outre leur date de naissance, ces couches se différencient par la nature de leurs populations de neurones corticaux excitateurs qui se distinguent par les cibles qu’ils innervent et leurs marqueurs moléculaires. Ainsi, la couche VI comprend les neurones cortico-thalamiques, la couche V les neurones de projection sous-cérébrale, dont les NMCS, la couche IV des neurones de projection locale, et les couches II/III des neurones cortico-corticaux. La couche I ne comprend pas de neurones corticaux excitateurs. Parmi les neurones de la couche V, on distingue, selon les aires corticales, les neurones cortico-tectaux, situés dans le cortex visuel et projetant vers le colliculus supérieur et le pont ; les neurones cortico-pontiques projetant vers le pont ; et les NMCS situés dans le cortex moteur et sensorimoteur (Molyneaux et al., 2007; Oswald et al., 2013). Ces neurones de projection sous-cérébrale sont

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générés au jour embryonnaire 13,5 (E13,5) chez la souris (Molyneaux et al., 2007; Takahashi et al.,

1999), E15 à E16 chez le rat (Bayer et al., 1991), et entre la 10ème et la 24ème semaine de gestation

chez l’homme.

Les neurones corticaux excitateurs acquièrent une identité laminaire au moment de leur division mitotique terminale (Allendoerfer & Shatz, 1994; Molyneaux et al., 2007). La spécification progressive des couches corticales dépend de l’expression de combinaisons de gènes. Ainsi, les NMCS expriment les gènes Fezf2 (Fez family zinc finger 2), Sox5 (SRY-box 5) et Bcl11b (B-cell leukaemia/lymphoma 11B), comme les autres neurones excitateurs des couches profondes (V et VI); les gènes Crym (Crystallin Mu), Crim1 (cystein-rich motor neuron 1), Clim1 (LIM domain binding protein), Diap3 (diaphanous homolog 3) et S100a10 (S100 calcium binding A10) comme ceux de la couche V expriment ; et le gène Bhlhb5 (Basic Helix-Loop-Helix Domain Containing, Class B, 5) comme les neurones excitateurs des couches II/III et V (Arlotta et al., 2005; Molyneaux et al., 2007). Les NMCS partagent, par conséquent, des marqueurs moléculaires avec plusieurs sous-types de neurones excitateurs de différentes couches corticales. À l’heure actuelle, aucun marqueur moléculaire spécifique des NMCS n’a pu être identifié. Cependant, parmi les différents gènes exprimés par les NMCS et autres neurones de la couche V, le gène Fezf2, qui code pour un facteur de transcription, joue un rôle clé dans leur spécification (Chen et al., 2005; Molyneaux et al., 2005). En effet, des études de perte de fonction in vivo chez la souris montrent que Fezf2 est nécessaire à la spécification de tous les neurones de projection sous-cérébrale, y compris les NMCS (Chen et al., 2005; Molyneaux et al., 2005). De plus, les souris présentant une invalidation complète du gène (knock-out, KO) se développent en l’absence de neurones de projection sous-cérébrale et de NMCS en particulier, et donc en absence de connexion directe entre le cortex cérébral et la moelle épinière (Molyneaux et al., 2005). Le gène Fezf2 est par ailleurs suffisant pour instruire la spécification de neurones de couches corticales profondes V et VI, et de NMCS. En effet, sa surexpression dans les progéniteurs corticaux du cortex cérébral (Molyneaux et al., 2005), du striatum (Rouaux & Arlotta, 2010) ou encore dans de jeunes neurones corticaux post-mitotiques d’une autre lignée (Rouaux & Arlotta, 2013) est suffisante pour programmer ou reprogrammer ces populations cellulaires en neurones corticofuges, et notamment en NMCS. Dans l’ensemble ces données montrent que Fezf2 est nécessaire et suffisant pour la spécification des NMCS et l’établissement des connexions cortico-spinales.

D’autres gènes sont, quant à eux, importants pour le développement des NMCS, tels que Bcl11b, ou EphB1, impliqués dans l’extension de leur axone vers la moelle épinière (Arlotta et al., 2005; Lodato et al., 2014).

Christine MARQUES 35

2. Caractérisation morphologique et anatomique

Les NMCS possèdent les plus gros corps cellulaires du cortex cérébral. De ce corps cellulaire naît : 1) une large dendrite apicale qui s’étend à la couche I et qui présente des ramifications majeures, en particulier dans les couches II / III, 2) de nombreuses dendrites basales et 3) un très long axone s’étendant vers la moelle épinière (Molnar & Cheung, 2006; Molyneaux et al., 2007; Özdinler & Macklis, 2006) (Figure 8A). Ils émettent également des collatérales secondaires vers le striatum, le noyau rouge et le pont (Shepherd, 2011).

Chez les rongeurs, au cours de leur migration radiale initiale, les NMCS subissent plusieurs modifications morphologiques, en commençant par l’adoption d’une forme pyramidale, suivie d’une spécification et d’une croissance axonale (pour revue, voir (Canty & Murphy, 2008)). Les axones des NMCS descendent au sein du cortex et sont dirigés latéralement dans la substance blanche sous-jacente pour entrer dans la capsule interne et emprunter le TCS. Chez la souris, ils

atteignent les niveaux supérieurs du tronc cérébral à E17 (17ème jour embryonnaire), le pont à E18.5,

et entrent dans la moelle épinière à P0 (jour postnatal 0) (de Kort et al., 1985; Jones et al., 1982). Les premiers axones atteignent le bas de la région cervicale à P2, de la région thoracique à P7, et de la région lombaire à P9 (Gianino et al., 1999). Les NMCS établissent des contacts synaptiques principalement avec les interneurones de la corne dorsale de la moelle épinière, qui innervent à leur tour les MnS. Ces contacts synaptiques se mettent en place après que les connexions entre les interneurones et les MnS, ainsi que celles des MnS avec les muscles striés squelettiques aient été établies (Kamiyama et al., 2006). À P14, toutes les cibles de la moelle épinière, même les plus caudales, sont innervées. Les connectivités sont alors progressivement affinées au cours des semaines suivantes (Hsu et al., 2006).

La population des NMCS peut être subdivisée en sous-populations selon le segment et les cibles de la moelle épinière qu’ils innervent (Akintunde & Buxton, 1992a, 1992b; Kamiyama et al., 2015; Olivares-Moreno et al., 2017). Chez le rongeur, des études basées sur le marquage rétrograde des NMCS depuis la moelle épinière ont montré que contrairement à la population totale de NMCS, qui s’étend des aires rostrales aux aires caudales du cortex (M1, M2, S1, S2), les NMCS à projection lombaires sont restreints aux mêmes régions caudales sensori-motrices du cortex (S1 et M1) (Kamiyama et al., 2015; Olivares-Moreno et al., 2017). De plus, des différences morphologiques semblent exister parmi les NMCS. En effet, il a été montré que les NMCS à projection lombaire présentent un soma et une arborisation dendritique plus larges (Oswald et al., 2013).